馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院、居里研究院和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們，詳細(xì)地查看了磁性哺乳動物失活X染色體緊密包裝的小結(jié)構(gòu)——巴爾氏小體（Barr body）的內(nèi)部，并開發(fā)出了一個模型系統(tǒng)，其有可能成為了解染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的一個重要工具。

長期以來人們都認(rèn)為失活的X染色體是一種相當(dāng)無組織的緊密結(jié)構(gòu)，但發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的新研究揭示出，高度組織化的染色體包含兩種不同的壓縮失活DNA葉，一些較小的結(jié)構(gòu)化活化DNA結(jié)構(gòu)域嵌入其中。這些稱作為拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（topologically associated domain）的較小結(jié)構(gòu)域是高度界定的遺傳“區(qū)域”，也存在于其他染色體上。這些結(jié)構(gòu)域在基因表達(dá)中起著重要的作用，它們存在于失活的巴爾氏小體令人感到驚訝。

霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、系統(tǒng)生物學(xué)項(xiàng)目共同主任、生物化學(xué)與分子藥理學(xué)教授Job Dekker博士說：“這是我們能夠獲得的巴爾氏小體中DNA最詳細(xì)的分子視圖。在顯微鏡下，失活的X染色體與其他的染色體有很大的不同；它看起來像一個壓縮的、不明確的、失活的‘斑點(diǎn)’。利用廣泛的實(shí)驗(yàn)方法包括成像和基因組方法，我們的研究描述了完全不同的東西：一個高度組織化的精密的結(jié)構(gòu)，富有一些沿著染色體沉默或激活基因的特征。”

盡管DNAs是由線性的堿基序列組成，它并非以一種簡單的直線形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。相反，基因組自身折疊并卷曲成環(huán)，因此它能夠裝入細(xì)胞核緊密的限定范圍內(nèi)。它所采納的形狀對于細(xì)胞中開啟或關(guān)閉哪些基因有著深遠(yuǎn)的影響。要正確理解基因組發(fā)揮作用協(xié)調(diào)基因表達(dá)的機(jī)制，必須要認(rèn)識在細(xì)胞空間中基因組是如何組織的。

就失活X染色體來說，科學(xué)家們知道雌性哺乳動物包含兩條X染色體，一條被“關(guān)閉”以避免基因過度表達(dá)。在顯微鏡下可以清楚地看到這一失活的X染色體是緊密的、無形狀的黑斑，叫做巴爾氏小體。人們認(rèn)為，巴爾氏小體的緊密形狀是由于其幾乎全部失活所致。但哪怕利用最先進(jìn)的成像技術(shù)，基于染色體構(gòu)象捕獲的基因組方法，也極難探索巴爾氏小體的確切結(jié)構(gòu)、它們的壓縮機(jī)制，以及一些DNA片段仍然活化的原因。

作為研究基因組三維結(jié)構(gòu)的先驅(qū)，Dekker開發(fā)了一套染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，這些生物化學(xué)技術(shù)可以確定DNA片段互作及與彼此關(guān)聯(lián)的機(jī)制——這是全世界的研究人員采用"3C" 、"5C" 和 "Hi-C"工具繪制細(xì)胞內(nèi)染色體三維組織圖的核心。利用Hi-C技術(shù)，Dekker和同事們構(gòu)建出了失活X染色體形狀和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖。

為了揭示失活X染色體的結(jié)構(gòu)，Dekker和同事們首先克服了一些主要的障礙。根據(jù)Dekker實(shí)驗(yàn)室生物信息學(xué)者Bryan R. Lajoie所說，一個問題是鑒于它們擁有幾乎一樣的序列，不可能區(qū)分出失活X染色體和活化X染色體。“我們在實(shí)驗(yàn)室使用的小鼠模型缺乏進(jìn)行這樣的區(qū)分所需的遺傳多樣性。”

Lajoie說：“為了采用Hi-C測序技術(shù)正確確定X染色體的三維結(jié)構(gòu)，我們讓兩種不同的小鼠品系雜交，并構(gòu)建了一種新的計算方法利用一條X染色體中天然存在的一些突變作為路標(biāo)。通過計算填補(bǔ)這一缺口，我們能夠連接足夠的點(diǎn)開始構(gòu)建出巴爾氏小體內(nèi)失活X染色體的三維模型。”

他們發(fā)現(xiàn)，巴爾氏小體并非是一個致密的DNA團(tuán)塊，而是由兩個獨(dú)立包裝的DNA葉所構(gòu)成， 兩者被只存在于基因組中少數(shù)地方、高度重復(fù)的DNA片段——微衛(wèi)星重復(fù)序列所隔開。Dekker猜測，這些微衛(wèi)星重復(fù)序列負(fù)責(zé)包裝和組織了巴爾氏小體內(nèi)的DNA。當(dāng)研究小組采用CRISPR技術(shù)移除染色體中的微衛(wèi)星重復(fù)序列時，他們發(fā)現(xiàn)這一雙葉結(jié)構(gòu)消失了。

居里研究所表觀遺傳學(xué)與細(xì)胞記憶教授 Edith Heard博士說：“一個元件可以對一條染色體的形狀和功能產(chǎn)生這樣的整體影響，這很了不起。”

盡管幾乎全部失活，在這些DNA葉內(nèi)仍然有一些基因簇獲得表達(dá)。這些基因定位在拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域(TADs)內(nèi)，TADs將基因組組織成了由富有CTCF蛋白的邊界分隔的區(qū)域，CTCF蛋白抑制了轉(zhuǎn)錄。這一研究發(fā)現(xiàn)表明，TAD發(fā)揮作用組織了沉默X染色體失活DNA葉內(nèi)的基因表達(dá)。

Dekker說：“失活巴爾氏小體內(nèi)的基因要表達(dá)，它就必須要定位在TAD內(nèi)。TADs有可能發(fā)揮了一種保護(hù)作用，使得一些基因即便定位在壓縮失活的染色體內(nèi)時仍易于接近獲得表達(dá)。”

這一突破確立了失活X染色體是研究基因組空間組織和基因表達(dá)之間關(guān)系的一種強(qiáng)大且獨(dú)特的模型系統(tǒng)，將幫助科學(xué)家們更多地了解活細(xì)胞中基因組的運(yùn)作機(jī)制。

瑞典卡羅林斯卡學(xué)院和Ludwig癌癥研究所的研究人員，對胚胎發(fā)育的第一周進(jìn)行了詳細(xì)的分子分析。他們的研究結(jié)果揭示出人類和小鼠之間的胚胎發(fā)育存在顯著的差異。發(fā)表在2016年4月Cell雜志上的這項(xiàng)研究還表明，X染色體上的基因受到不同的調(diào)控。

來自加州理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一類豐富的RNA基因——長鏈非編碼RNAs(lncRNAs)是如何調(diào)控一些關(guān)鍵基因的。通過研究一種叫做Xist的重要lncRNA，科學(xué)家們確定了這種RNA聚集一組蛋白質(zhì)，最終阻止女性擁有一條額外的功能性X染色體的機(jī)制。在女性胚胎中多出一條功能性X染色體可以導(dǎo)致早期發(fā)育階段死亡。這是研究人員首次揭示出lncRNA基因的詳細(xì)作用機(jī)制。研究論文發(fā)表在2015年4月27日的Nature雜志上。

許多蛋白質(zhì)與一個稱為Xist的RNA分子相互作用，以覆蓋和沉默每個雌性細(xì)胞中的一個X染色體。了解基因如何被靶定和沉默，可以幫助研究人員研究性別特異性的疾病。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員提出了X染色體失活的分子步驟，表明當(dāng)早期胚胎細(xì)胞開始分化成更多專門組織時，X失活以一種有序、定向的方式發(fā)生。他們已經(jīng)在小鼠細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了超過80個蛋白，它們與Xist結(jié)合以幫助它起作用。研究人員希望，這一發(fā)現(xiàn)可以解釋通常在一種性別中更為嚴(yán)重的人類疾病。研究結(jié)果發(fā)表在2015年4月的《Cell》雜志。